特钢连铸二冷技术研究

1、特钢连铸二冷技术研究钢的连铸与有色金属的一个重要差别是连铸钢坯内有较长的液芯。这就需要对温度高、刚度低的坯壳进行冷却和支撑，这也是二冷段的基本作用。浇铸速度越高，坯壳越薄液芯也越长，这些作用越重要。在特殊钢连铸中，为了提高铸坯内部质量，可以采用末端电磁搅拌（F-EMS）或轻压下等技术措施。这些措施的效果和使用方式也依赖于二次冷却技术。1二冷区传热基本原理在连铸机中钢液冷却到最后完全凝固时，其热量分别在水冷结晶器(一次冷却区)、喷雾水区（二次冷却区）和铸还的自然冷却区(三次冷却区)散失。二冷水分布主要根据冶金技术要求、钢种在高温状态下的力学性能和铸坯的断面尺寸确定。二冷区的各段的喷水量有所区别，

2、出结晶器时铸坯表面温度高，坯壳薄，喷水量要大，以迅速增加坯壳厚度；随着铸坯的移动，铸坯表面温度降低，坯壳厚度逐渐增加，喷水量减小。对二冷传热的影响因素有以下几个方面： (1)铸坯表面温度冷却水喷在连铸坯表面的冷却效果用综合换热系数或热流来衡量。换热系数或热流基本取决于铸坯表面温度和喷水密度，见图1。由图1可知，热流与表面温度不是直线关系：1) Ts300，热流随Ts而增加，此时为对流传热；2) 300Ts800，随温度提高热流下降，在高温表面有蒸汽膜，有核态沸腾状态；3) Ts800，热流几乎与表面温度无关，甚至于呈下降趋势，表面形成稳定蒸汽膜阻止喷射水滴与铸坯接触；由图可知，热流与表面温度不

3、是线性关系，但在一定温度范围内，随喷水强度增加热流增大。图1 表面温度与热流的关系 (2)水流密度水流密度是指铸坯在单位时间单位面积上所接受的冷却水量。水流密度增加，传热系数增大，它们之间关系以经验公式表示：换热系数h=h0Wn （1）这里，h0为常数，W为喷水密度，n=0.450.75这个关系式可以在实验室研究测定。但对于连铸坯而言，这仅仅是喷水的一个局部某一时刻的换热系数，不是一个段的或整个铸机上的换热系数。一个段的换热系数还应包括辊子的接触冷却、空冷、积水的冷却效果。 (3)水滴速度 水滴速度决定于喷水压力和喷嘴孔径，水滴速度增加穿透蒸汽膜而到达铸坯水滴数增加，故提高了传热能力，见图2。

4、 (4)水滴直径水滴直径大小是雾化程度的标志。水滴尺寸越小，单位体积内水滴个数就越多，雾化就越好，有利于铸坯均匀冷却和提高传热效率。图2 水滴速度与传热系数的关系 (5)铸坯表面状态对碳钢表面生成FeO试验表明：Ar保护加热碳钢，FeO生成且0.08kgm2；而在空气中加热FeO生成量1.12kgm2，碳钢表面有氧化层的传热系数比无氧化层约低13%。 (6)喷嘴使用状态喷嘴堵塞、喷嘴安装位置和新旧喷嘴等对传热也有重要影响，因此要注意对二冷水质的处理和喷嘴的定期检修。2二次冷却与铸坯质量为避免和减轻铸还中的裂纹、缩孔、偏析等缺陷，普通钢、低合金钢的冷却强度应为11.2Lkg钢，中、高碳钢，合金钢

5、为0.60.8Lkg钢，某些热敏感性的钢种可采用0.40.6Lkg钢，高速钢为0.10.3Lkg钢。由于热送和直接扎制技术的出现，普遍采用弱冷以提高热送温度。铸坯在二冷区内通过辐射和对流向空中散热，也通过传导向辊子传热。二冷区喷水可以保证连铸坯的质量、提高生产率、保护设备。铸坯喷水冷却所带走的热量只占铸坯三发热量的较少部分。由钢水到铸坯(室温下)放出的热量约为1380KJkg钢，各区的散热占总热量的40%左右，其余60%的热量在完全凝固后散出。影响各区导热效果的因素很多，主要决定于钢的冷却制度。二次冷却制度基本上可分为两种，强冷却和弱冷却制度。每种钢都有一条相应的脆性曲线，在900700

6、76;C范围，钢中残存元素及钢的基本成分对其温度范围(低延性区)都有影响。在固一液交界面附近存在一个凝固脆化区，如图3所示，TRN为强度=0的温度叫零强度温度；TDN为断面收缩率=0的温度叫零塑性温度。一般来说，在TRN和TDN温度区间是一个裂纹敏感区，固液交界面的糊状区晶体强度和塑性都非常小。有人认为临界强度为1-3Nmm2，由应变至断裂的临界应变为0.2-0.4%。当作用于凝固坯壳的外部应力(如热应力、鼓肚力、矫直力)使其变形超过上述临界值时，铸坯就在固-液交界面产生裂纹，形成偏析线裂纹。一般钢种将发生-的相变和AlN等在晶界沉淀。在矫直区铸坯表面产生拉力，会生成裂纹。为避免产生此类缺陷，

7、选择弱冷却制度，即“热行”，也叫软冷却。保证矫直点温度在900°C以上，喷水冷却强度一般在0.5-1.0Lkg钢。还可选甩强冷却制度，即“冷行”，也叫硬冷却，在二冷区铸坯表面维持较低的温度，保证在矫直点的温度在700一650°C，钢坯进行了-的相变，也避开了脆性区，冷却水量一般为22.5Lkg钢。还有一种“混行”冷却制度，实为冷行、热行时铸坯的表面温度变化之间。已凝固还壳在连铸机里运行过程中，从力的方面看，它承受热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面看，随着温度的下降，坯壳发生的相变，特别是二冷区，坯壳温度的反复下降和回升使铸坯组织发生变化，相当于“热处

8、理”过程；同时由于溶质元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化物质点在晶界沉淀，增加了钢的高温脆性，对铸坯质量有重要影响。要控制铸坯在不同冷却区热量导出速度和坯壳的热负荷适应于钢高温性能的变化。因此，可以说控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的关键。图3 钢的高温性能示意图二次冷却对铸坯质量的影响历来很受重视，在理论和实践上都进行了许多工作：A铸坯角部的过度冷却使得局部温度低，促成AlN、TiN、NbC等在晶间析出降低塑性，铸坯矫直时在振痕等缺陷处产生裂纹。B二冷严重不足使坯温过高刚性低，铸坯支撑不良时产生鼓肚，造成中间裂纹、中心线偏析等缺陷。C铸坯冷却强度突然变小时，表面温度回升，表层受压凝固前沿受

9、拉，促成中间裂纹生成。很多时候人们对二冷的期望过大。希望它保护设备，希望它提高铸坯质量，希望它减少漏钢。实际上二冷只起一定的辅助作用：首先，因为喷水冷却只占铸坯在机内散热的一小部分，调节二冷对总冷却效果的作用很有限。其次，式（1）中的n值较小，提高冷却强度所需的喷水量变化很大，喷嘴和供水都有问题。第三，从图1看出，铸坯表面温度与其冷却强度有强烈的交互作用，在一定温度范围内表面换热系数随表面温度的下降而急剧增加。如果由于某种原因铸坯表面个别地方温度偏低，此处的冷却换热系数就会很大散热量也很大，周围传来的热量补充不足时，该处的温度继续下降。这种交互作用会使坯子局部温度降至250°C远低于

10、正常值。第四，钢是一类导热较差的金属，连铸坯内部凝固组织很难靠二冷强度来改变，片面强调二冷控制凝固组织会引起其它缺陷。与凝固组织相关的方圆坯中心偏析疏松等缺陷需其它途径解决。现在生产实际中出现的与二冷有关的生产质量问题，一般不是二冷工艺设计和冷却制度本身有问题。往往是由于管路、水质引起的漏堵，设备检修、工艺操作、备件质量等未按章达标所致。这方面的问题有时很突出，应引起足够重视。3特殊钢连铸数学模型的建立由于连铸坯温度场及凝固状态的控制是控制连铸工艺的关键，而这两个方面在实际生产中又很难直观地进行观察和观测，为此常用传热凝固数学模型进行模拟计算，再结合一些测量手段(坯壳厚度和铸坯表面温度的测定)

11、进行验证后，将模拟计算的结果用于连铸过程制订工艺参数。本研究在前人进行轴承钢小方坯连铸凝固模型计算的基础上，将有关参数带入模型进行一些模拟计算和讨论。由于喷水冷却的效果是由沸腾换热的性质决定的，一定喷水强度下的换热系数与铸坯表面温度有关，温度越低时换热系数越大，由于合金钢连铸时一般喷水较弱，铸坯温度较高，换热系数随表面温度变化不大。铸坯在通过支撑辊、喷水区、未喷水区及积水区时，其冷却条件变化很大，在考虑铸坯在这一区域的温度变化时，对其理论计算和边界条件应分别处理，但当主要考虑液芯分布、铸坯温度变化时，则可以将这一区段中支撑辊、喷水区、未喷水区及积水区等综合给出一个平均换热系数： h=awb+c

12、 (2) h：换热系数，w：平均喷水密度，a、b、c：常数由于碳在固体钢中扩散较快(液体中扩散更快)，碳含量较高的钢种在凝固过程中碳分布接近于平衡，可用相图及杠杆定律表示碳的分布、温度及凝固率的关系，经推导为： (3)其中：k*：溶质分布系数CO：原始溶质浓度kt：溶质的熔点(液相线)降低率t：温度()fL：液相率1538：纯铁的熔点如果合金元素在固相中扩散很慢，而在液相中又混合较好时，则可用Scheil方程表示溶质分布，相应的凝固率与温度的关系为： (4)凝固传热方程的描述铸坯从结晶器内钢液面以一定的速度向切割位置移动，热量从铸坯的中心向坯壳传递，然后通过强制对流、自然对流或辐射向周围空间散

13、失，所传递热量的多少取决于浇铸温度、金属的热物理性能、和冷却条件。为了导出连铸坯凝固传热方程，作如下简化：沿拉坯方向由温度梯度引起的传热很小，可忽略不计；认为连铸坯沿直线运动；将板坯的传热简化为二维传热问题：即计算铸坯断面在拉坯轨迹上不同时刻的温度分布；考虑到铸坯断面的对称性，在计算中仅考虑断面的1/4；忽略液相穴的对流传热；凝固坯壳主要考虑传导传热；钢的热物理性能不发生变化；在某一拉速下达到稳定状态后，传热条件不随时间变化；铸坯内弧和外弧传热条件对称，忽略铸坯的弯曲效应；对于连铸坯二维传热，求解在和二维空间内的导热问题。在稳态情况下，温度满足椭圆形偏微分方程： (5)其中 导热系数；单位体积

14、内热量产生的速率。二维稳态传热方程的物理意义是：净吸热的速率 + 内部热量产生的速率 = 0对于椭圆方程，为了在它所包围的区域内定义一个适当的问题，必须在封闭曲线的所有点上，给定某种类型的边界条件，从这些边界条件开始向内逐步用数值迭代法进行求解。在不稳定态的情况下，产生的热量与消散的热量之差不为零，且导致在任意点上的温度均随时间而改变。与其相关的抛物型方程为： (6)其中材料密度；材料的恒压比热。网格的划分：将导热偏微分方程化为差分方程时，必须首先建立差分网格，假想在结晶器弯月面以下，铸坯二分之一厚度的区域取一薄片，将它分成许多相等的格子，如图4、图5所示，每个格子中心代表一个结点，并具有一定

15、的温度，两个结点之间的距离为。设铸坯的厚度为，宽度为，则结点个数为： 其中 板坯厚度方向上的结点个数；板坯宽度方向上的结点个数。图4 铸坯凝固示意图图5 网格示意图同时，薄片从结晶器随铸坯向下运动，到切割处所经历的总时间分割为相等的时间增量，设拉速为，则每个格子的高度为： 这样就构成了矩形网格，以便计算不同时刻各个结点的温度。和分别为空间步长和时间步长，每个小格子的中心温度代表整个格子的温度，对中心和边界格子的分法应使格子中心温度恰好位于铸坯中心和表面。方程的离散：在直角坐标系下，在求解域上布置均匀网格的系统如图6，并具有均匀导热系数的二维导热区域，首先只考虑内部结点。对于稳态方程： (7)将

16、其离散，得到近似式： 此式可化简为： 图6 直角坐标系中内部结点对于不稳定态问题，为了简便起见，假定没有内热源，则基本偏微分方程为： (8)其中热扩散系数。 (9)将方程离散，得其近似式： 其中；所有不带()的值都在时间取值。此式可化简为： 或 其中傅立叶数。 (10)特殊结点的处理：对于边部的结点，需要引入一个假想的结点(如图7)，点离点的距离为。但是不能设(为周围介质的温度)，因为还受临近物体的影响，而是远离物体的环境温度。因此引入假想点的温度之后一般的有限差分方程就可以解了，其热量平衡式为：图7 西部边界的假想结点由这两个公式可以消去，得到的表达式。 其中毕欧数。 对于角部的结点，如图8

17、所示，采用同样的方法，其热量平衡式为：图8 角部结点传热示意图 经整理可得： 对于中心结点来说，因为无论宽面还是窄面，我们只计算一半，所以它缺少东结点或南结点。理论上，由于铸坯是对称的，中心点的东结点或南结点与它的西结点或北结点的温度相同，所以在计算中用其西结点或北结点的温度来代替。时间步长的选择：对于显式方程，空间和时间的增量和不能随意选取，否则会造成方程发散，计算出错误的结果。它们必须满足一定的稳定性判据，在直角坐标系、均匀网格的二维传热不稳定态的有限差分方程： 需要满足的条件为： 这样才能保证方程左边各个结点温度的系数均大于零。 求解过程的流程图开始网格划分 物性参数的读入 变量的初始化

18、 位置 x=0 x= x+x计算铸坯内温度分布及坯壳的厚度、传热系数计算结果显示判断计算断面是否移出铸机冶金长度结束是否图9 流程图4江阴兴澄连铸轴承钢、齿轮钢的凝固传热模拟及实测江阴兴澄滨江厂连铸机由Demag公司设计。其有关参数如下：铸坯断面：300´300mm铸机流数：5铸机机型：弧形弧半径：12米冶金长度：流间距：中包容量：28吨结晶器长度：700mm结晶器水量：二冷比水量范围：0.2-0.5 L/kg振动参数：结晶器电磁搅拌：末端电磁搅拌：GCrl5GCrl5钢含少量合金元素，综合性能良好。淬火和回火后硬度高而均匀，耐磨性能、接触疲劳强度高。钢的热加工性好、球化退火后有良好

19、的可切削性，价格也较便宜，所以GCrl5钢是世界各国广泛采用的钢种之一，是高碳铬轴承钢中产量最多的钢号。我国的GCr15钢年产量约占轴承钢总产量的80%。此钢适于制造壁厚12mm、外径250mm的各种轴承套圈；也适于制造较宽尺寸范围的滚动体；钢球直径50mm、圆锥滚子直径22mm、圆柱滚子直径22nm、球面滚子直径22mm、及所有尺寸的滚针，还可用于制造量具、模具、木工刀尺等。GCrl5钢对形成白点敏感性较大、可焊性不好。20CrMnTi20CrMnTi主要用做渗碳钢，也可调质使用。淬火低温回火后具有良好的综合机械性能和良好的低温冲击韧性。渗碳或碳氮共渗处理后，具有良好的耐磨性能和抗弯强度，也

20、具有较高的抗多次冲击能力。钢的晶物长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向。20GrMnTi钢热加工和冷加工性能较好正火后硬度为HB163-187时，相对切削性能为75%，并可获得光洁的表面。抗氧化性较好。这种钢一般用于制造截面在30mm以下，承受高速、中等裁荷或重载荷以及冲击和摩擦的重要零件，如齿轮、齿轮轴、齿圈、十字轴等。它是机械制造业使用最广，用量最大的钢种之。为保证20CrMnTi钢有较高的机械性能和淬透性，在冶炼时应合理的控制化学成分，一般碳中、下限，锰中、上限，碳钛差值为0.1士0.0l-0.02%为宜。含碳、钛上限时应配合上限的铬。图10 20CrMnTi钢过冷奥氏

21、体转变曲线(a)等温转变曲线，奥氏体化温度880；(b)连续冷却转变曲线，奥氏体化温度950金属的热传导及导热率(导热系数)金属的热传导包括两部分：一部分是自由电子的热运动完成的热传导，这是主要部分；另一部分是原子(离子)热振动产生的热传导，这是一切晶体所共有的。在一定温度下，晶体原子(离子)热振动有一相应大小的振幅，有一定能量。当晶体中存在温差时，处于高温的原子振动加剧，对邻近处于低温的原子（离子）就会施加周期性作用力，结果使邻近原子振动的振幅加大，能量增加，这样由此及彼的相互作用，使原子振动力人发生传递，从而也传递了能量，因此出现了热传导现象。由于金属中存在大量自由电子，因此具有良好的导热

22、性。衡量金属热传导性的指标是导热率，其定义为：在单位时间内，当沿着热流方向的单位长度上温度降低一度时，单位面积允许通过的热量，叫做这种材料的导热系数或导热率。 单位：W(m·K)或W(m·°C)， Cal(M·°C)导热系数标志着材料热传导的能力，导热系数大，材料的导热性就好；反之，则差。所以它是衡量金属材料导热性能好坏的一个主要性能指标。影响金属导热率的因素：1)温度的影响多数金属材科的导热率随温度升高而平稳降低，特别在熔点处急剧降低。2)晶向的影响非立方晶系的金属，导热率各向异性。3)晶粒大小的影响 热传导率随晶粒的增大而增大。4)合金成分

23、和相的彩响在固溶体中，随着第二组元增加导热性下降，二元固溶体在第二组元为50%时，导热率最小，当固溶体出现有序化时，导热率增大。两组元形成机械混合物时，合金的导热率随组元的体积浓度变化呈线性规律。5)组织影响多相合金导热率，通常符合叠加规律。钢中导热率由大到小的排列是：奥氏体、淬火马氏体、回火马氏体、珠光体。6)含金元素的影响 金属材料越纯净，导热率越大，不同元素对材料导热性影响不同。41 凝固传热模拟为了掌握现行二冷及其它工艺状况，保证连铸坯质量，为末端电磁搅拌和轻压下提供相关参数，在现行工艺条件下，模拟计算了铸坯的凝固状况和温度分布。模拟计算条件见下表1。表1 凝固传热计算条件参数单位工况

24、12345铸坯断面mm300x300300x300300x300300x300300x300钢种GCr15GCr15GCr1520CrMnTi20CrMnTi液相线°C14561456145615121512浇铸温度°C14811481148115271552结晶器长度mm700700700700700浇铸速度M/min0.50.60.70.70.7足辊区长度mm300300300300300喷水量L/min2426293939喷水密度L/m2.s1.111.221.341.811.81换热系数Kcal/m2.h372392416450450一段长度mm1300130013

25、0013001300喷水量L/min2530344545喷水密度L/m2.s0.270.320.360.480.48换热系数Kcal/m2.h187201211239239二段长度mm43004300430043004300喷水量L/min3542496565喷水密度L/m2.s0.110.140.160.210.21换热系数Kcal/m2.h144151157172172三段长度mm38003800380038003800喷水量L/min2027344545喷水密度L/m2.s0.070.100.120.160.16换热系数Kcal/m2.h131139147159159比水量L/kg0.3

26、0.30.30.40.4总喷水量L/min104125146194194经过与铸坯实测温度对比，模拟计算结果与现场实际基本一致。图11表示GCr15钢不同浇铸速度下的铸坯的凝固状况和温度分布。图11 GCr15钢不同浇铸速度下的铸坯的凝固状况和温度分布（T(°C)： 温度；X：至液面距离；Tc：中心温度；Ts：表面中心温度；Tco：角部温度；D：凝壳厚度）由图和现场观测可以看出：a) 由于采用气水二冷及较合理的分区，铸坯温度分布较均匀。b) 总的喷水量较少，二冷区坯温较高。c) 在固定比水量条件下，铸坯的液芯长度随着浇铸速度的增加而明显加长。浇铸速度从0.5到0.7m/min液芯长度

27、增加5-6m。液芯分布变化强烈影响末端电磁搅拌和轻压下的效果（这一问题下面还将详细讨论），在应用末端电磁搅拌或轻压下时，浇铸速度应基本固定。d) 对于中心缺陷（缩孔、偏析）较严重或要求较严格的品种，宜采用较低的浇铸速度，这样可以减小液芯长度有利于补缩，减少中心缺陷。图12表示齿轮钢20CrMnTi不同过热度浇铸的铸坯的凝固状况和温度分布。除了结晶器熔池以外从图上很难看出过热度对铸坯的温度分布的影响。经过对模拟结果数据的仔细研读，还是可以发现过热度对铸坯的凝固和温度分布的一些作用。表2列出了部分数据。图12 齿轮钢20CrMnTi不同过热度浇铸的铸坯的凝固状况和温度分布（T(°C)：

28、温度；X：至液面距离；Tc：中心温度；Ts：表面中心温度；Tco：角部温度；D：凝壳厚度）表2 过热度对20CrMnTi铸坯的凝固和温度分布的影响至弯月面距离，m0.6515全凝时间，S过热度°C中心温度°C表面温度°C中心固相率中心温度°C表面温度°C中心固相0014959990.67141840154812530.00149610010.651430从表面上看过热度的提高25°C是铸坯的总体温度提高1-2°C，使整个凝固过程稍有延长。但根据铸坯中心等轴晶形核理论，结晶器熔池的过高温度会融化从弯月

29、面等处漂流来的晶核，从而抑制中心等轴晶的发育。42 特殊钢连铸坯温度的实测连铸坯断面为300´300 mm方坯，定尺长度12米，从连铸机拉矫机经连铸冷床、提升机、热送辊道到轧钢加热炉的距离总长约90米。采用红外非接触式高温金属测温仪现场测定表面温度，对连铸坯在二冷段到冷床的温度测定结果见图13和图14。根据对铸坯表面温度的测定结果估计，连铸坯火焰切割时的温度大约为700-900，按照轧钢生产节奏每5.5分钟送一支坯至轧钢加热炉，到达入炉口的温度波动范围为600至800，时间大约30min至40min，在该区域的温降大约5/min。图13连铸坯在二冷段到冷床的表面温度测定结果图14轴承

30、钢连铸坯从二冷段到进加热炉的表面温度测定结果5西宁钢厂连铸轴承钢的凝固传热模拟及实测西宁特钢大方坯连铸是从美国CONCAST引进的设备，本研究根据国内的实际情况，针对轴承钢结合数学模型计算，进行了钢水过热度对轴承钢质量的影响及过热度的控制措施、不同冷却制度、电磁搅拌方式及拉速等对轴承钢质量的影响研究，并最终确定最佳工艺参数。西宁特钢连铸机结构如图15 所示。图15 西宁特钢大方坯连铸机结构图在不同拉速下各段冷却水量如表3所示。表3 不同拉速及冷却强度时的各段喷水量(水量未表单位的为m3/h)拉速，m/min冷却曲线结晶器水喷淋环二冷一段二冷二段二冷三段0 752#(0.35l/kg)1262.

31、413.902.280.03#(0.40l/kg)1262.413.962.340.04#(0.45l/kg)1262.414.692.820.05#(0.50l/kg)1262.414.872.641.441 002#(0.35l/kg)1682.414.082.401.323#(0.40l/kg)1682.414.872.821.564#(0.45l/kg)1682.415.543.301.805#(0.50l/kg)1682.416.323.722.04注：结晶器水量设计值为144 m3/h（按拉速0.8m/min计算）,此处的结晶器水量按不同拉速，结晶器水温差按6计算。计算条件为：铸坯

32、断面：235mm×265mm浇注温度1471结晶器水温差为6拉速和二冷水量分别如表3所示。5.1 轴承钢连铸试验方案及结果5.1.1 试验方案1) 试验工艺流程为50tHP(EBT)·EAF60tLFCC(235mm×265mm)650×3轧机产95方中间坯，经低倍检验后产3070mm材。2) 根据实际生产情况，主要进行了不同过热度、不同二冷强度、不同拉速和搅拌与不搅拌的对比试验，具体试验方案如表4所示。3) 宏观横向低倍组织的检验是将工艺试验段的235mm×265mm 的铸坯热切后，用带锯加工成30mm厚的低倍试片，经车床和铣床加工后进行热酸

33、浸，分析裂纹、疏松、偏析和柱状晶和等轴晶比例等低倍组织。4) 对铸坯化学成分的偏析除如图16在横向低倍片从中心沿对角线、宽面的中心和窄面的中心用5mm的钻头每隔5mm钻一个深10mm的孔取样分析碳外，在95方横向低倍试样上取如图17所示的试样，从边缘到中心每2mm用刨床刨取一个试样分析碳和铬的偏析。5) 对铸坯的夹杂物在95方上按图18所示取高倍试样，用网格法检验夹杂物玷污面积和夹杂尺寸和粒度分布。表4 轴承钢连铸试验工艺参数试验号试验内容冷却强度/Kg过热度拉速m/min搅拌方式1冷却强度0.50(5#曲线)10200.70.8M:3.25,F:202冷却强度0.45(4#曲线)10200.

34、70.8M:3.25,F:203冷却强度0.40(3#曲线)10200.70.8M:3.25,F:204冷却强度0.35(2#曲线)10200.70.8M:3.25,F:205过热度0.40(3#曲线)200.70.8M:3.25,F:206过热度0.40(3#曲线)10200.70.8M:3.25,F:207过热度0.40(3#曲线)200.70.8M:3.25,F:208搅拌方式0.40(3#曲线)10200.70.8M:3.25,F:209搅拌方式0.40(3#曲线)10200.70.8M:3.25,F:1210搅拌方式0.40(3#曲线)10200.70.8M:3.25,F:停11拉速

35、0.40(3#曲线)10200.60.7M:3.25,F:2012拉速0.40(3#曲线)10200.70.8M:3.25,F:2013拉速0.40(3#曲线)10200.80.9M:3.25,F:20 图16 铸坯碳偏析取样示意图 图17 95方中间坯碳偏析取样示意图图18 95方坯加杂物取样图轴承钢的特点是碳含量高，熔点较低，凝固温度区间大，铸坯的总体温度较低，等凝固率曲线间隔较大。浇铸速度直接决定着铸机的生产率，同时对铸坯的表面和内部质量也有很大的影响。在浇铸裂纹敏感性强，质量要求高的钢种时，铸坯的质量是要考虑的首要问题，所以应在保证铸坯质量和能够顺利浇铸的前提下，确定浇铸速度，根据西钢

36、的情况，在现有钢包容量、冶炼周期的情况下，每炉浇铸50min 左右，能够基本保证钢包温度的稳定。 5.1.2 试验结果按上述试验方案试验的各炉次铸坯低倍检验结果如表 所示。表5 试验炉次铸坯低倍检验结果试验号等轴晶中心裂纹中心疏松中心缩孔中心偏析一般偏析152%2.53002237%1.53202383%02.5001466%02.5001545%322.501.5666%03302771%0>4001871%02.5001964%021011058%02101.51166%04001.51254%03001.51337%1.532025.1.3 试验结果分析与讨论过热度对铸坯质量的影响

37、及过热度控制措施连铸生产过程中，钢水的过热度对连铸坯的内在质量和连铸机的拉速都具有至关重要的作用。实际生产表明，轴承钢的过热度应控制在10-20范围内为宜，当钢水过热度过高，会使铸坯的柱状晶发达、中心偏析、中心疏松和中心裂纹严重，恶化了铸坯的内部质量，而且由于高温钢水对初生坯壳的不均匀冲击，通过热的、力的和化学的交互作用使坯壳产生各种缺陷，导致漏钢。而过低的钢水温度使浇铸困难，铸坯表面质量变差，夹杂物不易上浮排除。在多炉连浇的情况下，保证浇铸过程温度稳定，不仅在于一炉钢水的温度稳定，而且更重要的在于各连浇炉之间的温度稳定，从而保证连铸过程的全程温度恆定。这种稳定主要依靠生产过程的各工序的相互协

38、调和合理调度。下面对过热度对铸坯质量的影响分别进行一些讨论。(1) 对铸坯表面质量的影响钢水由液态转变为固态存在一个体积收缩，其中包括体收缩和线收缩两部分。依据前人的研究实践可知：在钢水中，体收缩(V体) 线收缩(V线)常数，V线大时，铸坯表面易产生热裂纹；当V体大时，铸坯的收缩孔穴和疏松所占的体积就大。V线的大小与浇注温度有关，因为注温高时，凝固前沿上的温度梯度较大，从而使钢水的液固两相区变小，使铸坯产生纵裂纹的倾向性增大。V体的大小与钢种有关，轴承钢的V体较大。因此对于轴承钢而言，钢水过热度的提高极易导致钢表面裂纹和皮下气泡的产生。(2) 对铸坯结构和宏观组织的影响过热度高低对钢水凝固过程

39、铸坯和钢锭的结构及有关质量的影响如表6 和表7所示。对于铸坯的内部质量而言，最令人关注的是中心等轴晶区和柱状晶区的相对尺寸，因为后者比前者更易引发内部裂纹，同时柱状晶生长较长时会加重中心偏析和疏松。在较低的过热温度下浇铸较大断面的铸坯可使坯芯消除过热后完全凝固，从而缩小柱状晶区长度，发展等轴晶区，使坯芯变得均匀。因此，采用低过热度操作，可促使柱状晶更早转变成等轴晶，从而避免中心偏析的发生。此外，中包钢水过热度是引起连铸坯内部裂纹的最关键因素之一，在固定浇铸速度下，过热度越高，裂纹就越多。注温越高，凝固坯壳的角部愈比面部中心薄，所以注温愈高，在铸坯角部出现纵裂纹的机率也高。提高浇铸速度会增大铸坯

40、的液相穴深度，使凝固的坯壳变薄。同时因凝固速度下降而扩大偏析区。表6 浇注温度对钢锭结构及有关质量的影响注温过冷度激冷层凝固前沿温度梯度两相区柱状晶皮下夹杂坯壳厚度均匀性高小薄大窄宽小不均匀低大厚小宽窄多均匀表7 过热度对铸坯组织的影响过热度°C激冷层mm柱状晶mm等轴晶，% 中心 偏析缩孔裂纹疏松3141075112.532224935803.01.531346071000>4连铸过程中过热度与等轴晶率的关系如图19 所示，从图可见，铸坯等轴晶率随着过热度的增加而降低，此趋势与牛岛清人的结果类似，但等轴晶率比他们的高。当过热度控制在5-15时，可保证等轴晶率大于50%以上。图

41、19 过热度与等轴晶率的关系(3) 对铸坯化学成分和中心碳偏析的影响连铸坯从中心到边缘的化学成分分布情况如表8所示。表8 连铸坯从边缘到中心的化学成分分布情况元素1#2#3#4#5#6#7#8#9#11#12#13#13#C,%1.160.930.991.031.040.980.971.031.021.011.011.011.05P,10-51011121112911111011111011S,10-640204030502010102030402040Cr,%1.481.351.401.401.431.411.431.441.441.431.431.431.43从表8可见，碳、铬、硫三个元素

42、的变化规律相似，中心部位三个元素含量均较高。对同一片铸坯的沿宽边、窄边和对角线方向三个方向从中心开始进行碳元素偏析的分析，其结果如表9所示(钢包C：0.98)：表9 铸坯不同方向碳元素分布情况中心12345678098509610986099809870975长0952100102100098短107098209910210009950980994对轴承钢的低倍组织进行检验发现，在过热度较高的炉次产生如图20所示的中心增碳现象，对中心增碳部位切取高倍组织试样，其高倍组织如图22所示，图21为无中心增碳连铸钢材，图23是在低倍正常的钢材上所取的高倍组织试样，从图22和图23就可以看出，中心增碳部

43、位具有很明显的网状碳化物。图20 中心增碳轴承钢低倍组织 图21 轴承钢正常低倍组织图22 中心增碳部位高倍组织 图23 正常部位高倍组织对轴承钢而言，中心偏析是其主要低倍缺陷，中心偏析的发展与坯芯钢水的液穴深度有关，钢水的液穴愈深中心偏析愈发展，降低过热度可以大大降低液穴的深度，从而减轻中心偏析。 过热度高造成中心增碳已被人们共识，但轴承钢低倍组织的中心增碳并不是连续的，分析其原因可能与铸坯内部的小钢锭凝固有关，由于钢液中的对流作用，凝固前沿是不稳定的，局部区域柱状晶生长比相邻的快，造成部分晶体下沉或者两面相对生长的柱状晶搭桥，从而使该区域内的钢液被封闭像一个小钢锭凝固一样。在桥下面的残余钢

44、液在中心柱状晶区域内重新凝固，由于凝固桥面阻碍了上部钢水的补充，最后高碳钢液在中心凝固，形成中心增碳和缩孔。(4) 过热度控制措施从前面讨论可知，控制钢水过热度对提高连铸坯内部质量、生产率和降低能耗都具有很大的影响。钢水过热度低，接近钢的液相线浇铸时，有利于提高铸机拉速，减少铸坯中心偏析，但浇铸温度过低时，则钢水的流动性差，易堵塞水口或不能浇铸而使钢水回炉。相反，浇铸温度过高,除导致铸坯质量恶化外，还由于过热度高，致使连铸坯壳熔化变薄，在坯壳粘结或外力的作用下导致拉漏事故。因此，过热度控制的关键是如何保证连铸过程中中包钢水温度的稳定。过热度的高低在很大程度上取决于准确的出钢温度和浇铸过程中钢包

45、和中包钢水温度的恒定，其中后者主要取决于钢包和中间包的自身温度和蓄热程度，通过较长的钢包精炼时间和钢包的快速周转及加入钢包覆盖剂减少辐射热损失等措施保证钢包的温降速度小于1/min，为减少中间包温降，最好能采用中间包加热设备使中包中的钢液保持较为恒定的温度，在没有中包加热设备的情况下，可通过提高中间包烘烤温度和时间，多炉连浇及采用中包保温剂的措施减少辐射热损失，以保证中包温降小于0.5/min。5.2 钢水过热度对铸机拉速的影响假定钢水在结晶器中的传热是稳态传热，通过结晶器内的凝固坯壳、保护渣层及结晶器壁的传导热量等于来自钢水内的凝固潜热和钢水的温降，由热平衡守恒原则可得：V=(A·

46、m)/(B)S2式中V拉速S坯壳厚度A=2ks(ts-tf)/CpPsB=Hs/Cp式中Hs结晶潜热钢水过热度ts ，tf钢的固相线温度，保护渣膜温度Cp 钢水热容Ps钢水比重因此，在不改变现有连铸工艺和设备的情况下，s和m为定值，则当降低时可以则需要提高V，当然提高铸坯拉速的同时，需要采取一些配套的措施，如提高二冷强度，降低保护渣熔点等。分析原因，主要在于中心偏析的发展与坯心钢水的液穴深度有关。钢水的液穴愈深，中心偏析愈发展。降低过热度可以大大降低液穴的深度，从而减轻中心偏析。外商提供的轴承钢过热度与拉速的关系如表10所示。对于浇铸速度对铸坯质量的影响已在前面进行了讨论，决定最佳浇铸速度的主

47、要因素是过热度，如能在凝固前控制钢水过热，就可达到理想的最高浇铸温度。表10 轴承钢过热度与拉速的关系过热度,+15+10+5目标-5-10-15拉速,m/min0.800.750.750.700.650.650.60在试生产初期，通过对轴承钢浇铸期间不同部位的铸坯低倍试样检验发现，过热度越高，低倍试样上末端电磁搅拌的液芯面积越小，有几炉由于整炉过热度在28以上，拉速过慢，所有试片上均没有被搅拌的痕迹，中心碳偏析指数高达1.24。从现场铸坯出二冷矫直段的温度明显低于过热度较低的炉次铸坯的温度。为找出过热度和拉速的对应关系，在选用3#冷却曲线的基础上，以最低过热度的拉速为基础，分别进行过热度升高

48、2和升高3，拉速都降低0.01m/min的试验，结果表明当过热度每升高2，拉速降低0.01m/min的对应关系时，可保持铸坯到末段电磁搅拌保持一定的液芯比例。5.3 拉速对中心偏析的影响从模型计算可知，铸坯的液芯长度随拉速的提高而增加，随冷却强度的提高而缩短，全凝固点距矫直点较远，铸坯表面温度在各冷却区过渡时有一定的波动，但不很大，在冷却强度较强或拉速低时，铸坯角部温度便低，到矫直区的温度不到900。拉速对铸坯偏析的影响如图所示。 图24 拉速与轴承钢碳偏析指数的关系随着拉速的提高，铸坯中心偏析增加，对于轴承钢而言，在过热度为T=15±3的情况下，拉速为0.65m/min为最佳。分析

49、拉速对偏析的影响，主要在于随着拉速的提高，铸坯在结晶器内停留时间变短，从而使钢液凝固速度降低，其结果使铸坯液芯延长，这不但推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，而且发生铸坯鼓肚的危险也随之增加。5.4 二冷制度对铸坯质量的影响二次冷却的目的在于使铸坯尽快形成均匀的凝固壳厚度，防止产生漏钢事故，同时通过均匀的冷却，保证铸坯到矫直点前全部凝固。由于表面的冷却会产生拉应力，促使裂纹的产生和扩大，所以在铸坯冷却过程中，控制铸坯表面降温速度限制在200/m以内，同时由于铸坯表面温度的回升会引起凝固前沿的拉应力，故控制温度回升在100/m以内。通过二冷段的均匀冷却，使铸坯进入拉矫点之前的表面温度避开钢的高温脆性区，控制铸坯进入拉矫机之前的温度在950以上，以减少裂纹的产生，为保证均匀冷却，二冷段的喷水量应随着铸坯表面从上到下逐渐减少，为实现此目的，可对二冷区进行分段喷水的方式解决。铸坯质量的好坏在很大程度上取决于二冷制度，二冷制度应包括水嘴布置方式、喷嘴结构、水量及水量在各段的分布比例等，因此二冷制度直接影响到铸坯的内、外表面质量。由于西宁特钢的二冷结构、喷嘴型号和喷水比例已经确定，在此仅对配水量对铸坯质量的影响进行一些探讨，而对因其设计造成的一些缺陷不予考